飞机飞行控制律/操纵效率器多学科优化设计

基于近似模型和遗传算法,针对多操纵面布局飞机提出一种对全包线飞行控制律和操纵效率器几何形状与位置进行多学科优化的设计方法.该方法采用力矩控制方式进行控制,应用鲁棒增益调参方法设计全包线飞行控制系统,利用试验设计方法和径向基神经网络响应面获取近似的气动学科模型和控制学科模型,在近似模型基础上由遗传算法获得优化的设计参数并最终获得优化的控制律和操纵效率器.以某多操纵面布局无尾飞机为例进行计算机飞行仿真验证,结果表明该方法具有可行性.      

基于全局稳定性分析的大迎角飞控系统设计

针对飞机大迎角非线性动力学系统,提出用全局稳定性分析方法指导大迎角控制律设计.首先利用非线性分叉分析方法研究了大迎角非线性动力学系统的结构稳定性问题.在此基础上,通过合理选择平衡点线化方程,采用特征结构配置方法设计调参的大迎角控制律,以使飞机的稳定飞行状态可延伸至大迎角范围.此外,还通过时域数字仿真估算了闭环系统大迎角稳定平衡点的吸引域．与其他方法相比可得到闭环控制系统的定范围渐近稳定性,而不仅是Lyapunov局部渐近稳定性.      

大气紊流下飞艇动力学建模与姿态控制

大气紊流是影响高空飞艇水平面内运动的重要原因,紊流扰动对飞艇的安全性能和定点悬停有严重影响,能否克服扰动,直接决定飞艇的载荷能力和续航时间.根据高空大气紊流的特点以及紊流风速对飞艇姿态调整的影响建立风场的传递函数模型,根据风速三角形关系建立扰动下的飞艇水平面内动力学模型,利用内模控制原理设计出内模控制器,将扰动信号反馈到系统的输入端,从而对扰动进行直接控制.仿真结果表明所设计的控制器可以有效抑制大气紊流对飞艇飞行性能的影响.     

农林飞机近地作业飞行的纵向稳定特性

分析了农林飞机近地作业飞行的纵向气动力特性,讨论了存在地面效应时的纵向静稳定性准则及主要气动导数对静稳定性的影响;根据地效区内飞机的五阶小扰动运动线化方程,计算了农林飞机近地作业飞行的模态特性,并运用特征矢量研究了各模态中起主要作用的运动变量;利用Routh判据对农林飞机近地作业飞行的纵向动稳定性进行了分析,通过简化推导了存在地面效应时保证飞机动稳定性其重心的位置要求.研究结果表明,农林飞机近地作业飞行时地面效应对其纵向气动特性及稳定性的影响不可忽略.      

武装直升机射击后座力补偿控制系统设计

武装直升机武器发射时的后座力会引起载机运动参数的变化,进而影响武器的射击精度,它实质上是一种扰动响应现象.为了减小这些影响,提出了基于非线性H_∞方法的后座力补偿控制方案. 首先利用飞行器六自由度动力学方程,通过分 析求解Hamilton-Jacobi偏微分不等式,得到鲁棒的期望力和力矩指令.然后根据直升机气动力和力矩的推导公式,采用迭代算法对期望值进行逼近,得到实际的桨矩操纵量.最后结合飞行控制系统和后座力干扰参数进行了仿真验证,仿真结果表明所设计的控制系统具有较好的性能和稳定鲁棒性,能有效抑制后座力对机体运动状态的扰动.      

飞机机翼故障的动态飞行包线估算方法

进行机翼故障情况下的飞行包线估算可为驾驶员正确操纵和包线保护控制提供必要的信息.考虑到飞机机翼故障的动力学特点,提出一种动态飞行包线估算方法.建立故障参数模型,应用最小二乘辨识算法进行气动参数辨识与故障诊断;基于参数辨识结果估算飞行包线;根据故障特点,分别对系统进行配平计算,在每个配平点建立飞行包线数据库,根据故障诊断结果实时调用包线库中的数据,形成当前时刻的飞行包线.     

弹性导弹的连续与离散阵风响应

导弹在空中飞行时会受到阵风的干扰,过大幅值的阵风响应可能影响结构安全 、飞行性能及攻击精度.为此,基于导弹刚体/弹性耦合运动方程和准定常气动力,建立了导 弹气动伺服弹性系统的连续与离散阵风响应分析方法.对于连续阵风,通过频率响应函数来 计算响应的功率谱密度;对于离散阵风,则在状态空间方程的基础上时间积分求得响应历程 .以某导弹为例,进行了气动伺服弹性稳定性分析、连续和离散阵风响应分析,并提出了飞 行控制系统的改进设计.数值结果表明,结构与控制之间的不利耦合可能使系统的稳定性和 阵风响应特性恶化,在控制回路中增加合适的结构陷波器可有效减小弹性模态的不利影响.      

基于试验气动力的纵向机动飞行载荷分析

提出了一种基于非线性风洞试验数据(简称试验气动力)同步进行纵向机动飞行过程和飞行载荷的计算分析方法.通过曲面样条插值将试验气动力的升力系数和俯仰力矩系数引入纵向机动飞行过程的计算,同时基于试验气动力的压力分布进行全机飞行载荷的静气动弹性修正.弹性载荷的计算采用线性气动力影响系数矩阵处理.采用偶极子格网法提供气动力(简称理论气动力).将基于这两种气动力的计算结果进行了对比.结果表明:基于试验气动力的机动飞行过程更为合理;基于理论气动力的载荷随机动飞行过程的变化趋势有可能与基于试验气动力的载荷变化趋势不一致.      

系缆气球的气动力估算和配平计算

从飞行力学分析的角度,用传统的气动力估算方式对具有倒"Y"型尾翼的系缆气球的气动力特性进行估算.考虑气球与系缆的综合系统,建立系缆气球平衡方程并进行配平计算.在不同的风速条件下,采用牛顿下降梯度法迭代求解非线性代数方程组形式的系缆气球平衡方程.通过不同风速及不同系缆位置的平衡状态的对比分析,确认系缆的最佳悬挂位置.      

基于混合遗传算法的直升机前推/后拉配平

针对直升机配平模型为多元且初始值难以确定的非线性方程组,以及全局最优解不唯一等问题,发展了一种基于遗传算法/拟牛顿法的高效混合迭代算法。介绍了直升机各个模块动力学方程。其中在旋翼建模中,考虑实际飞行环境下桨叶的运动和操纵特性,以动态入流和叶素法为理论基础,建立了具有配平特性的旋翼气动力模型。基于直升机飞行仿真动力学模型,详细推导了前推/后拉的配平变量和约束方程。通过构造目标函数,将全机配平问题转化为优化问题。通过计算UH-60A直升机在前推/后拉的配平解,并与飞行测试数据进行比较验证。结果表明,前推配平结果与飞行数据有偏差,后拉配平结果与飞行数据吻合。旋翼非定常气动特性是引起总距和脚蹬配平计算误差的主要原因。建立的配平算法适用于直升机不同稳定飞行条件下的仿真。     

利用气动力的大气制动过程中近心点高度控制

针对大气制动轨道转移过程中出现的近心点下降问题,给出了一种利用气动力实现近心点高度控制的方法.设计了以倾侧角为控制变量的大气内飞行控制律,并参考相关星际探测任务进行了仿真验证.通过改变倾侧角调整气动力在高度方向上的分量来实现对制动轨道近心点高度的控制,并根据当前近心点高度与预定近心点高度自动调整反馈增益.在整个大气制动过程中本方法无需燃料消耗即可有效地限制近心点下降并最终减少下降量,同时使飞行过程中的最大动压和最大热流密度逐渐降低,保证了航天器的安全.      

Matching trajectory optimization and nonlinear tracking control for HALE

This paper concerns optimal trajectory generation and nonlinear tracking control for stratospheric airship platform of VIA-200. To compensate for the mismatch between the point-mass model of optimal trajectory and the 6-DOF model of the nonlinear tracking problem, a new matching trajectory optimization approach is proposed. The proposed idea reduces the dissimilarity of both problems and reduces the uncertainties in the nonlinear equations of motion for stratospheric airship. In addition, its refined optimal trajectories yield better results under jet stream conditions during flight. The resultant optimal trajectories of VIA-200 are full three-dimensional ascent flight trajectories reflecting the realistic constraints of flight conditions and airship performance with and without a jet stream. Finally, 6-DOF nonlinear equations of motion are derived, including a moving wind field, and the vectorial backstepping approach is applied. The desirable tracking performance is demonstrated that application of the proposed matching optimization method enables the smooth linkage of trajectory optimization to tracking control problems.     

Modeling and analysis of floating performances of stratospheric semi-rigid airships

In recent years, the study of semi-rigid airship has revived with the development of airships. Semi-rigid airships have some characteristics of rigid airships and non-rigid airships. Due to the flexibility of the envelope of the non-rigid airship, the variation of the temperature of the inner gas will lead to its structure deformation and affect its flight altitude. This paper develops the structural mechanics model, thermodynamic model and dynamic model of the semi-rigid airship, based on which nonlinear finite element analysis is employed for geometrically nonlinear deformation of the airship upper film in consideration of thermodynamics and structural mechanics coupling. Based on the thermal-structural interaction, the thermal characteristics and flight performances of the airship during floating flight are investigated. The 3-D solar radiation and temperature distribution of the airship skin and the temperature variation of the inner gas are presented to investigate the thermal performance of the airship, flight velocity, acceleration and flight altitude are simulated to investigate the flight performance, and the variations of the volume and pressure difference of the inner gas are calculated to provide a basis for structure design. The results of the simulation can be referenced for the design of the semi-rigid airship, and can be used for the further study on the attitude control of the airship during its floating flight.     

浮升混合飞艇气动性能及总体参数分析

为了兼顾飞艇的气动性能和浮升特性,充分发挥二者的优势,并增强可控性,提出了一种基于NACA高升力翼型的组合嚢体式混合飞艇气动布局.采用计算流体力学(CFD)方法建立混合飞艇FLUENT计算模型,数值模拟了它在不同速度和迎角下的升阻特性、纵向静稳定性及浮升特性,并进行了总体性能评估,最后将其与常规飞艇进行了对比.结果表明:该组合嚢体飞艇布局具有较好的气动性能和效率,相同条件下提供的动升力为常规飞艇的3倍;当飞行速度大于26 m/s时,混合飞艇总升力效率开始大于常规飞艇,能够提供更好的浮升特性.此外,相同设计载荷下混合飞艇的外形尺寸更小,有利于增加有效载荷,可为低空大型混合飞艇的研发提供参考.      

火星进入的气动力特性预测模型分析

火星大气环境对飞行器进入带来了新的挑战,气动力预测是首先需要解决的问题.针对火星探测器的高超声速进入问题,利用三维并行程序求解流体力学Navier-Stokes方程,分别考虑真实气体模型和完全气体模型,分析模型及参数对气动力特性预测的影响,旨在得到准确、高效和可靠的火星进入器气动力特性预测模型.采用真实气体模型对海盗号进行了沿飞行轨道的数值模拟,气动力特性预测结果与飞行数据一致,验证了火星大气热化学模型及数值方法.分别采用真实气体模型和完全气体模型对海盗号升力式进入和探路者号零攻角进入进行了气动力特性预测,结果表明采用等效比热比的完全气体模型的预测值非常接近真实气体模型,偏差均在1%左右,配平攻角相差约0.4°,来流比热比模型的气动力特性预测值偏差很大.火星进入器的气动力预测建议采用真实气体模型和等效比热比完全气体模型.      

Backstepping sliding-mode control of stratospheric airships using disturbance-observer

In the presence of unknown disturbances and model parameter uncertainties, this paper develop a nonlinear backstepping sliding-mode controller (BSMC) for trajectory tracking control of a stratospheric airship using a disturbance-observer (DO). Compared with the conventional sliding mode surface (SMS) constructed by a linear combination of the errors, the new SMS manifold is selected as the last back-step error to improve independence of the adjustment of the controller gains. Furthermore, a nonlinear disturbance-observer is designed to process unknown disturbance inputs and improve the BSMC performances. The closed-loop system of trajectory tracking control plant is proved to be globally asymptotically stable by using Lyapunov theory. By comparing with traditional backstepping control and SMC design, the results obtained demonstrate the capacity of the airship to execute a realistic trajectory tracking mission, even in the presence of unknown disturbances, and aerodynamic coefficient uncertainties.